“Calibración del termómetro”

“Calibración del termómetro”
RESUMEN
En esta práctica construimos un instrumento el cual fuera capaz de relacionar la temperatura
con la distancia, es decir, diseñamos un termómetro de alcohol, agua y gas (aire), el cual
consistía en calentar agua en un vaso de precipitados y con ayuda de un tubo capilar el cual va a
estar graduado por nosotros, observamos que el alcohol, agua o gota de agua (en el caso del
gas) iba a ir recorriendo el tubo conforme la temperatura iba aumentando, lo que encontramos
fue que conforme la temperatura aumentaba, también aumentaban los cambios en su posición
dentro del tubo capilar.
OBJETIVO
Diseñar y calibrar un termómetro con diferentes fluidos (alcohol, agua y aire) a presión
constante, con la ayuda de un vaso de precipitados y un tubo capilar en el cual al incrementar la
temperatura se dilatará el fluido y nos darán posiciones diferentes, así que obtendremos una
relación entre la temperatura y la longitud.
INTRODUCCIÓN
Para llevar a cabo este experimento nos debe quedar claro algunos conceptos como qué es un
termómetro de alcohol, agua y gas a presión constante; temperatura; calor; equilibrio térmico y
la ley cero de la termodinámica.
El termómetro es un instrumento de medición de temperatura. Desde su invención ha
evolucionado mucho, principalmente a partir del desarrollo de los termómetros electrónicos
digitales.
Inicialmente se fabricaron aprovechando el fenómeno de la dilatación, por lo que se prefería el
uso de materiales con elevado coeficiente de dilatación, de modo que, al aumentar la
temperatura, su estiramiento fuese fácilmente visible. El metal base que se utilizaba en este
tipo de termómetros ha sido el mercurio.
El creador del primer termoscopio fue Galileo Galilei; éste podría considerarse el predecesor
del termómetro. Consistía en un tubo de vidrio terminado en una esfera cerrada; en el extremo
abierto se sumergía debajo de una mezcla de alcohol y agua, mientras la esfera quedaba en la
parte superior. Al calentar el líquido, éste subía por el tubo.
Actualmente un termómetro está constituido por un tubo capilar llamado vástago, cerrado en
uno de los extremos y comunicado en el otro con el depósito de agua, alcohol o mercurio
llamado bulbo, los tres de vidrio.
Temperatura: es una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema
termodinámico, es una variable termodinámica que está relacionada directamente con la parte
de la energía interna asociada a los movimientos de las partículas del sistema, o en forma de
vibraciones, se puede definir la temperatura como la cuantificación de la actividad molecular
de la materia.
Calor: es la energía cinética de las moléculas que conforman el sistema. Su concepto está ligado
al Principio Cero de la Termodinámica.
Equilibrio térmico: estado en el cual no va a cambiar la temperatura del sistema cuando no
existe flujo de calor de uno hacia el otro. Esta definición requiere además que las propiedades
físicas del sistema, que varían con la temperatura, también con el tiempo. Algunas propiedades
físicas que varían con la temperatura son el volumen, la densidad y la presión.
La ley Cero de la Termodinámica: establece que si un sistema A está en equilibrio térmico con
un sistema B, y este sistema B está en equilibrio térmico con otro sistema C, entonces los
sistemas A y C están en equilibrio térmico.
Esta Ley permite construir instrumentos para poder medir la temperatura de un sistema.
MATERIAL
-
Parrilla regulable
Vaso de precipitados
Un termómetro de mercurio (m.e. 1 0C)
Un matraz de ml (m.e. 0.1 ml)
Alcohol y agua
Soporte
Capilar (diferentes diámetros)
DESARROLLO
Cabe mencionar que en nuestro sistema habrá factores que impidan la precisión exacta de las
medidas que se realicen ya que estos factores pueden provocar ciertos errores y así tener un
cierto porcentaje de incertidumbre al realizar el experimento. En el siguiente listado se
muestran ciertos puntos que deben tomar en cuenta para que así no sea tan grande el error de
porcentaje.
Colocar bien el dispositivo.
Mantener lo más firme y recto el tubo capilar, no dejar que éste esté inclinado ya que la
gravedad podría afectar la manera en que suba la el fluido a la hora de llegar al punto de
evaporación, para el caso de la prueba del gas.
Mantener el suministro de calor de una manera constante para que ascienda de manera
uniforme y no varié el ascenso de cada fluido.
Existen los factores de medición que producen otros errores en el experimento tales como lo
son:
-
Medir mal la altura del ascenso de la gota de agua.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Se coloca el soporte
Se coloca la parrilla frente al soporte
Sobre el soporte se puede colocar el termómetro de mercurio
Se marca un sistema de referencia al capilar
Se llena el matraz con alcohol
Se une el matraz con el capilar, se cierra muy bien
Se pone a calentar en el vaso de precipitados el agua
Se sumerge el matraz sobre el agua, esperando a que se transfiera el calor a éste.
Se toman datos sobre la temperatura y distancia.
Tomar mal los datos de la temperatura
Que los aparatos no estén calibrados de manera inadecuada (este error podría ser que
no afectara porque el error sería constante y no habría alguna modificación en el
análisis de datos, esto según cómo se manejen los marcos de referencia)
Nota: Se realiza lo mismo para el agua.
A diferencia del gas, esto sólo es:
•
•
•
•
•
•
•
•
Se coloca el soporte
Frente al soporte colocamos la parrilla
Se ajusta el termómetro de mercurio sobre el soporte
Se hace un marco de referencia sobre el capilar
Colocamos una gota de agua en el capilar cerca de algún extremo.
El matraz lo dejamos vacio, conectado con el capilar y bien cerrado.
Se sumerge el matraz sobre el agua y calentamos
Se toman medidas sobre la temperatura y la distancia recorrida de la gota de agua
sobre el capilar.
RESULTADOS
Figura 1
Esquema del experimento
Para que nuestros datos no variaran drásticamente y pudieran llevar el control adecuado y así
tener el resultado que esperábamos se tomaron en cuenta los puntos que afectarían en
nuestras mediciones ya mencionadas y así nos pudimos percatar que el ascenso de nuestros
fluidos era de manera casi constante y lineal con forme se administraba un calor uniforme,
llegando a un punto en el que ya no cambió la temperatura del sistema pues ya no va a ver flujo
de calor de uno hacia el otro y en este momento se dice que el sistema ha llegado a un
equilibrio térmico.
Una vez montado el experimento, tomamos a la temperatura del agua contenida en el vaso de
precipitados como inicial, o sea T0= 22 0C
Cuando el termómetro marcó la temperatura del agua contenida en el matraz como T 0= 23.5 0C,
el fluido en el tubo de vidrio comenzó a subir.
A continuación mostramos tablas, las cuales indican la distancia que subieron cada fluido con
respecto a la temperatura.
Tabla 1
Termómetro de
Temperatura
0
C
22
27
32
48
53
58
63
68
73
agua
Altura (cm)
0
1
4.4
8.9
10.2
12.2
14.4
18.3
25.5
Gráfica 1
Representación de los datos de la tabla 1.
Se tiene su ajuste de recta.
Tabla 1 Termómetro de alcohol
Temperatura
Altura (cm)
0
C
22
0
27
3.9
32
7.5
37
11.6
42
16.2
47
22.2
52
29.7
57
40
62
53.7
Gráfica 2
Representación de los datos de la tabla 2.
Se tiene su ajuste de recta.
Tabla 3 Termómetro de gas (aire)
Temperatura 0C
Altura (cm)
22
0
30
3
35
5
38
5.5
39
8.5
40
10.5
42
15.5
43
18.5
44
21
45
25.5
Gráfica 3
Representación de los datos de la tabla 3.
Se tiene su ajuste de recta.
Los resultados que se han obtenido han sido tomados de un experimento en donde se utilizó un
capilar con un diámetro pequeño, alrededor de 0.5 cm.
Se trató de hacer el mismo experimento con un capilar con un diámetro más grande para el
caso del termómetro de gas, el diámetro era aproximadamente de 1 cm pero lamentablemente
no se pudo realizar este experimento para el gas (aire) ya que cuando se aumentaba
temperatura al sistema la gota de agua se disparaba muy rápido, fue imposible realizar esto.
CONCLUCIONES
Para graduar nuestros termómetros hacemos que cuando la altura del líquido en el capilar se
haya estabilizado hacemos una marca. Corresponderá a la temperatura ambiente que marque el
termómetro exterior.
Ahora se introduce el matraz, junto con el termómetro, en agua fría, el nivel del líquido en el
capilar descenderá. Esperemos a que se estabilice y hacemos una marca anotando la
temperatura que indica el termómetro externo.
Repetimos la operación con agua templada. Volvemos a hacer una marca y anotamos la
temperatura que indica el termómetro externo.
Y ya tenemos tres temperaturas marcadas. Basta con que hagamos marcas a intervalos
regulares para terminar de graduar. Este termómetro es muy sensible y basta con que
acerquemos las manos al matraz para que suba el nivel del fluido.
Los termómetros que hemos fabricado tienen un fundamento muy sencillo. En el matraz hemos
dejado una cámara de aire que se dilata al aumentar la temperatura, aumentando la presión.
Para poder equilibrarse con la presión atmosférica exterior del líquido sube por el capilar.
Cuando se enfría ocurre lo contrario.
En nuestro experimento esperábamos observar que un termómetro es un instrumento que a
pesar de medir la temperatura también es capaz de relacionar la temperatura con la distancia
que recorre un fluido dentro de un capilar; al llevar a cabo este experimento observamos que
llegó un momento que no cambió la temperatura del sistema pues ya no hubo flujo de calor de
uno hacia otro y en este momento se dice que el sistema ha llegado a un equilibrio térmico y de
aquí pudimos ver cómo nuestro sistema A va a entró a un equilibrio térmico con nuestro
sistema B, el cual está en equilibrio térmico con un sistema C, entonces A y C están en
equilibrio térmico, es decir, vimos la aplicación de la Ley de la Termodinámica, que era lo que
esperábamos.
Lo que nos dicen las gráficas que es que para el caso del agua cuando no hay altura, la
temperatura vale 26 0C; lo mismo sucede para el alcohol, cuando no hay altura la temperatura
vale 26 0C; y para la gráfica del termómetro de gas (aire) nos dice que cuando no hay altura, la
temperatura mide 29 0C.
Los valores independientes de las ecuaciones obtenidas muestran que son algo confiables
nuestros resultados, esto se debe seguro a la mala toma de datos que no fue tanto el error.
Tenemos que en base a nuestros datos y comparándolos con los de algún libro tenemos que el
termómetro de agua no es tan bueno para medir temperaturas, éste además puede tomar
temperaturas desde los 0 0C hasta 100 0C en una atmósfera de presión; el de alcohol es todavía
menos impreciso, éste puede tomar temperaturas desde los -114.3 0C hasta los 78.4 0C;
mientras que el termómetro de gas (aire) fue muy preciso y tiene un margen de aplicación
extraordinario, desde -27 0C hasta los 1477 0C.
Se cumplió nuestro objetivo de lograr la Ley cero de la Termodinámica y la construcción de un
termómetro confiable.
BIBLIOGRAFÍA
Robert, Resnick.
Física parte 1
Compañía editorial continental S.A. de C.V.
México 1990, segunda edición.
Serway, Raymond A. y Jewett, Jhon W.
MCGRAW-HILL/ INTERAMÉRICANA DE MÉXICO
Tercera edición